http://www.ebook.edu.vn 7 Chơng 1 Các khái niệm cơ bản 1.1. Nguyên lý hoạt động và phân loại Máy ép thuỷ lực là một máy công cụ sử dụng nguồn lực là hệ thống thuỷ lực, dựa trên nguyên lý định luật Pascal. Nếu ta có 2 xilanh-pittông đợc nối với nhau bằng ống dẫn, nh hình 1-1a, bên trong chứa đầy chất lỏng. Dới tác dụng của ngoại lực lên pittong 1, P 1 , sẽ tạo ra một áp suất trong chất lỏng p , gọi là áp suất thuỷ tĩnh. Theo định luật Pascal, áp lực p đợc truyền cho toàn bộ khối chất lỏng nằm trong 2 xilanh và luôn có hớng vuông góc với mọi thành ống. á p suất chất lỏng đợc tạo ra có giá trị 1 1 f P p = . Nh vậy, do áp suất chất lỏng luôn có chiều vuông góc với pittông lớn 2, nên chúng tạo ra áp lực tác dụng lên pittông 2 có giá trị P 2 = p.f 2 . Chính lực này sẽ tạo ra công năng để biến dạng vật liệu 3. Từ đó, ta có: 1 2 12 f f PP = (1.1) Có nghĩa là, lực P 2 luôn bằng tích của lực P 1 với tỷ số giữa diện tích f 2 của pittông 2 trên diện tích f 1 của pittông 1. Nh vậy, tỷ số f 2 /f 1 càng lớn, áp lực dùng để gia công vật liệu càng lớn. Hình 1-1. Máy ép thuỷ lực a. nguyên lý hoạt động; b. sơ đồ kết cấu; c. sơ đồ máy ép có dầm di động http://www.ebook.edu.vn 8 Theo hình 1.1.b, kết cấu máy ép thuỷ lực gồm các cụm chính sau: Thân khung máy; Hệ thống thuỷ lực; Hệ thống điều khiển. Nguyên lý hoạt động của máy ép: Xi lanh công tác 4 đợc cố định trên dầm ngang trên 6 và liên kết với dầm ngang cố định dới 9 qua các trụ dẫn hớng 7, tạo thành thân khung máy. Pittông 5 chuyển động trong xi lanh 4, đợc gắn với dầm di động 8, đợc trợt theo trụ dẫn hớng. Trên dầm di động có bàn máy trên với các rãnh lắp bulông để lắp khuôn trên. DầM di động đợc chuyển động đi xuống nhờ pittông công tác và chuyển động đi lên nhờ pittông trở về 11. Trên dầm cố định dới có lắp bàn máy (dới) dùng để lắp khuôn dới. Do sử dụng nguồn chất lỏng áp suất cao, nên giữa xi lanh và pittông thờng dùng các loại đệm kín (gioăng) để tránh rò rỉ làm giảm áp lực chất lỏng. Các thông số cơ bản của máy ép thuỷ lực: Lực ép định mức dới tác động của áp suất tối đa của chất lỏng gọi là lực ép danh nghĩa P H , đợc xác định bằng tích số giữa áp suất danh nghĩa của khối chất lỏng p với diện tích tiết diện ngang của pittông công tác f . Chiều cao kín của máy H - khoảng cách giữa hai bàn máy. Khoảng làm việc S quãng đờng dầm di động có khả năng trợt tự do. Tốc độ dầm di động đi xuống là tốc độ không tải, thờng sử dụng tốc độ nhanh. Tốc độ ép là tốc độ khi ép tạo hình biến dạng kim loại, thờng chậm. Tốc độ trở về của bàn máy là tốc độ không tải, phụ thuộc xilanh-pittông đi lên. Kích thớc bàn của dầm ngang dùng lắp bàn máy. Kích thớc bàn máy dới, dùng để lắp khuôn. Máy ép thuỷ lực rất đa dạng. Với một cụm tạo lực bơm - pittông- xi lanh có thể lắp thành nhiều dạng máy khác nhau, phục vụ các dạng công nghệ khác nhau. Tuỳ theo chức năng công nghệ, máy ép thuỷ lực đợc phân thành máy ép gia công vật liệu kim loại (hình 1-2.a), máy ép gia công vật liệu phi kim loại (hình 1 2.b) và các máy công dụng khác. Trong tài liệu này chủ yếu giới thiệu máy ép kim loại. Máy ép kim loại đợc chia thành 5 nhóm: máy ép rèn tự do dập thể tích, máy ép chảy kim loại, máy ép dập tấm, máy ép dùng trong lắp ráp và máy ép ép kim loại phế thải. Cùng với sự phát triển của công nghệ gia công áp lực, các dạng máy mới dần xuất hiện nhằm đáp ứng yêu cầu của từng công nghệ riêng biệt. http://www.ebook.edu.vn 9 Hình 1-2. Phân loại máy ép theo chức năng công nghệ a. máy gia công kim loại; b. máy gia công phi kim loại Máy ép thuỷ lực gia công kim loại Rèn Máy cắt phôi Bẻ nguội Dập Cắt bavia D ập nổi - D ập tinh Đột Chuốt Thanh - ống Thanh định hình ép chảy nguội Má y rèn và d ập thể tích Má y é p chả y Máy ép thuỷ l ự c dùng đ ể gia công v ậ t li ệ u phi kim lo ạ i Máy gia công các bột phi kim loại Máy gia công chất dẻo Máy ép các tấm phi kim loại Máy tự động gia công nóng chất dẻo Máy gia công bằng pp dùng điện cực Máy đóng viên và đóng bánh Máy dập tấm Máy nắn sửa và lắp ráp Máy xử lý phế liệu kim loại Máy cắt vật liệu tấm Dập tấm tác dụng đơn, kép D ập bằn g cao su Uốn và g ấ p mé p Kéo và dập dãn D ập tấm dà y Uốn và g ấ p mé p tấm dà y Nắn sửa, tinh chỉnh ép lắp ráp Chồn Đón g bánh Đón g g ói é p b ộ t kim lo ạ i http://www.ebook.edu.vn 10 Máy ép nhóm thứ nhất là máy ép dùng để rèn tự do và dập thể tích. Máy dùng để rèn tự do và rèn trong khuôn đơn giản có lực ép danh nghĩa P H = 5 ữ 120 MN (500 ữ 12000 T). Máy ép dập thể tích dùng để dập nóng các chi tiết làm từ thép hoặc hợp kim nhôm và hợp kim magiê, P H = 10 ữ 700 MN (1000 ữ 70000 T). Máy ép đột lỗ, dùng để đột lỗ sâu phôi thép ở trạng thái nóng trong khuôn kín, P H = 1,5 ữ 30 MN (150 ữ 3000 T). Máy ép để chuốt kéo các phôi rèn bằng thép, P H = 0,75 ữ 15 MN (75 ữ 1500 T). Nhóm thứ hai gồm các máy ép dùng để ép chảy hay ép đùn các sản phẩm dạng ống - thanh định hình từ hợp kim màu và thép, có áp lực P H = 0,4 ữ 120 MN. Nhóm thứ 3 bao gồm: máy ép dập tấm tác động đơn, chỉ có xilanh công tác ép với P H = 0,5 ữ 10 MN (50 - 1000 T). Máy ép vuốt sâu các chi tiết hình trụ, với tác động kép có xilanh công tác tạo lực ép và xilanh tạo lực ép biên, P H = 0,3 ữ 40 MN (30 - 4000 T). Máy ép cao su P H = 10 ữ 200 MN (1000 - 20000 T). Máy ép gấp mép, tạo mặt bích, uốn và dập các vật liệu dạng tấm dày, P H = 3 ữ 45 MN (300 - 4500 T). Máy ép lốc, để uốn lốc các các vật liệu dạng tấm dày ở trạng thái nóng, P H = 3 ữ 200 MN (300 - 20000 T). Nhóm thứ 5 thuộc các loại máy ép đóng gói và đóng bánh, dùng để ép phế liệu dạng nh phoi kim loại và các phế liệu kim loại, P H = 1 ữ 6 MN (100 - 600 T). Máy ép vật liệu phi kim loại bao gồm: máy ép vật liệu bột, máy ép chất dẻo và máy ép để ép các dạng tấm, phiến. Ngày nay nhiều dạng máy mới xuất hiện: máy ép vật liệu bán lỏng kiểu đứng, có hệ thống kẹp chặt khuôn bằng cơ khí, nhng xilanh ép vật liệu bán lỏng đợc thiết kế ép 2 đến 3 cấp áp lực. Các máy ép chảy chi tiết dạng cốc dài có bàn máy di động, máy ép uốn các profin dùng uốn vỏ tàu thuỷ Tính công nghệ của máy ép thủy lực phụ thuộc kết cấu của thân máy (kiểu cột, kiểu hai trụ, kiểu một trụ và kiểu chuyên dùng) và kiểu dạng và số lợng xi lanh (pittông, pittông nhiều bậc ). Máy bốn trụ cố định đợc sử dụng rộng rãi, các dầm động di chuyển theo phơng thẳng đứng (hình 1-b). Đôi khi khung máy đợc làm theo kiểu chuyển động (hình 1-c). Các máy ép đùn các chi tiết dạng thanh thờng có kết cấu dạng nằm ngang để giảm chiều cao nhà xởng. Trên hình 1-3 trình bày các dạng xi lanh của máy ép, xi lanh kiểu trụ, kiểu pittông trụ nhiều bậc là loại xi lanh tác dụng đơn. Xi lanh công tác kiểu pittông nhiều bậc đợc sử dụng trong trờng hợp khi phần dới pittông đi qua xi lanh công tác (ví dụ: máy ép thanh - ống). http://www.ebook.edu.vn 11 Các xi lanh kiểu pittông đợc sử dụng rộng rãi khi dùng dầu nhờn làm chất lỏng công tác. Trong trờng hợp này, chi tiết bịt kín cho pittông thờng dùng dạng vòng găng (xécmăng). Xilanh kiểu pittông là xilanh tác dụng hai chiều, có thể tạo lực nén gia công khi áp suất chất lỏng tác dụng ở mặt trên, và có thể trở về khi áp suất chất lỏng tác đụng phía dới pittông. Trong máy ép có xilanh công tác đặt phía dới khung máy, có thể không có xilanh đẩy về, trong trờng hợp này, xilanh chuyển động trở về nhờ trọng lợng của phần chuyển động của máy ép. Xilanh công tác đợc nối với thùng chứa chất lỏng qua các ống dẫn. 1.2. truyền dẫn thuỷ lực và thiết bị thuỷ lực của máy ép Các thành phần của hệ thống máy ép thuỷ lực bao gồm: máy ép, bộ phận truyền dẫn, phần thu hồi chất lỏng, các thùng chứa, các bộ phận điều khiển - bộ phân phối, các van, các đờng ống nối, cút nối để liên kết tất cả các phần tử kể trên thành một hệ thống thống nhất, hệ thống điện và bộ điều khiển. Nguồn cung cấp chất lỏng áp suất cao cho máy ép quyết định dạng dẫn động của máy ép. Hệ thống cung cấp chất lỏng quyết định sơ đồ thuỷ lực và tác động của máy ép (hình 1-4). Có 2 dạng chất lỏng sử dụng trong máy ép thuỷ lực là dầu khoáng và nhũ tơng. Các dạng dẫn động gồm dẫn động kiểu dùng bơm và dẫn động kiểu dùng bộ tăng áp. Trong dạng dẫn động dùng bơm đợc phân làm 2 loại, có dùng bình tích áp và không dùng bình tích áp. Khi dùng loại dẫn động không có bình tích áp, nguồn cấp chất lỏng áp suất cao cho máy ép chỉ thực hiện từ các bơm. Hệ thống dẫn động có bình tích áp là hệ thống chất lỏng công tác đợc cấp đồng thời từ bình tích áp và từ bơm ở hành trình công tác. Hình 1-3. Các dạng xilanh của máy ép thuỷ lực a. kiểu Pludơ; b. kiểu nhiều bậc c. kiểu pittông http://www.ebook.edu.vn 12 Đối với các hệ thống dẫn động kiểu tăng áp, chất lỏng đợc cấp cho máy ép trong hành trình công tác nhờ bộ tăng áp, chất lỏng công tác đợc cấp theo từng lợng nhất định. Bộ tăng áp là bơm xilanh áp suất cao. Hình 1-4. Phân loại trạm ép thuỷ lực Chất lỏng công tác cũng là một đặc trng của máy ép thuỷ lực, chúng quyết định đặc điểm kết cấu của máy ép. Dầu khoáng là dạng chất lỏng công tác dùng trong máy ép thuỷ lực có áp lực không lớn. Chúng có nhiều u điểm nh độ nhớt cao, hệ số biến dạng thể tích nhỏ, không gây ăn mòn chi tiết. Nhng dầu khoáng đắt. Ngợc lại, dùng nhũ tơng làm chất lỏng công tác có giá thành hạ thờng dùng cho các máy ép thuỷ lực có lực danh nghĩa lớn, lợng chất lỏng lớn, tính kinh tế tốt. Khi sử dụng kiểu dẫn động kiểu bơm có bình tích áp, bình tích áp có nhiệm vụ tích trữ năng lợng trong toàn bộ chu trình công tác của máy ép để thực hiện hành trình công tác. Nhờ đó, làm đều tải cho bơm và động cơ điện. Nhợc điểm của dẫn động kiểu bơm có bình tích áp là năng lợng tiêu hao phụ thuộc vào trở lực biến dạng của phôi và dung lợng của bình tích áp. Đối với loại dẫn động kiểu bơm không có bình tích áp, thì công suất định mức của động cơ và bơm đợc xác định thông qua công suất lớn nhất do máy ép tạo ra. Bộ dẫn động sẽ tiêu thụ năng lợng tạo ra công có ích của máy ép. http://www.ebook.edu.vn 13 Sự dẫn động từ bộ tăng áp dùng cho hơi hoặc khí nén, năng lợng tiêu thụ cũng không phụ thuộc vào trở lực biến dạng của phôi. Nó có thể đảm bảo thực hiện đợc một số lớn các hành trình ngắn và lặp lại. Dẫn động từ bộ tăng áp cơ khí sẽ đảm bảo tiêu thụ năng lợng không phụ thuộc vào công thực hiện, nó cũng đảm bảo số lợng lớn các hành trình lặp lại và lợng biến dạng đồng đều của đầu búa vào phôi kim loại. 1.3. Chất lỏng công tác và áp suất sử dụng Trong các máy ép thuỷ lực, chất lỏng công tác thờng dùng là nhũ tơng hoặc dầu khoáng. Để tránh gỉ cho các chi tiết nh xilanh, pittông, các chi tiết điều khiển và đờng ống, nớc đợc cho thêm 2 ữ 3 % chất nhũ tơng. Thành phần của chất nhũ tơng bao gồm: 83 ữ 87% dầu khoáng, 12 ữ 14% axit oleic và 2,5% xút nồng độ 40%. Dầu khoáng thờng đợc dùng là dầu máy, dầu công nghiệp, dầu tuabin Bảng 1-1 Quan hệ đặc tính các bộ phận của máy ép thuỷ lực và chất lỏng Đặc tính của các bộ phận phụ thuộc vào chất lỏng công tác Bộ phận máy ép thuỷ lực Nớc - Nhũ tơng Dầu khoáng Đệm kín các pittông đờng kính từ 60-70 mm khi áp suất cao Vòng bít kín hoặc xéc măng Khe hở đờng kính giữa pittông và xilanh là nhỏ Bộ phân phối chất lỏng áp suất cao Kiểu van Kiểu van trợt, có thể sử dụng các van loại khác Bơm Tốc độ chậm có kích thớc tơng đối lớn Tốc độ nhanh và kích thớc nhỏ Đệm kín của thiết bị thuỷ lực Kiểu mềm Rà kín bề mặt hoặc dùng vòng xécmăng Xi lanh Kiểu pittông Kiểu pittông với xi lanh đờng kính lớn Bình tích áp Không có các phần tử ngăn cách và có các phần tử này Chỉ có các phần tử phân cách giữa dầu và hơi Các tính chất cơ bản của chất lỏng công tác là tính chịu nén và độ nhớt. Hệ số nén thể tích đối với nớc (nhũ tơng) 5.10 -6 cm 2 /N, với dầu khoáng là 6.10 -6 cm 2 /N, tơng ứng với vùng áp suất làm việc của các máy ép. á p suất chất lỏng càng lớn, thì hệ số nén thể tích càng giảm. http://www.ebook.edu.vn 14 Độ nhớt của dầu khoáng dùng trong các máy ép thuỷ lực vào khoảng 1,5 6 0 E (BY), ở nhiệt độ khoảng 50 0 C và áp suất khí quyển. Trong khi độ nhớt của nhũ tơng không chịu ảnh hởng của áp suất, thì độ nhớt của dầu thay đổi đột ngột khi áp suất dầu tăng. Khi áp suất của dầu tăng đến gần 30MPa, độ nhớt của dầu tăng lên gấp đôi. Nh vậy, cần phải tính đến quan hệ giữa áp suất chất lỏng và độ nhớt trong các kết cấu có thể tích chất lỏng lớn và chuyển động với áp suất cao, nh trong máy ép rèn. Nhiệt độ bốc cháy của hơi dầu dao động trong khoảng từ 160 ữ 210 0 C, vì vậy, cần phải chú ý khi rèn ép các phôi nóng. Các loại dầu có độ nhớt nhỏ, thì nhiệt độ tự bốc cháy cũng thấp. Nh vậy, chất lỏng công tác sử dụng trong hệ thống thuỷ lực đóng vai trò quan trọng có tính quyết định đối với các đặc điểm kết cấu của cơ cấu dẫn động, hệ thống điều khiển và của cả máy ép (bảng 1-1). á p suất danh nghĩa của chất lỏng công tác trong máy thuỷ lực đợc tiêu chuẩn hoá theo OCT 356 - 80. Các áp suất thông thờng là 20, 30 và 40 MPa. 1.4. Chu trình công tác Chu trình công tác là thời gian các bớc trong quá trình gia công biến dạng. Thời gian của chu trình của máy ép ở dạng tổng quát có thể biểu diễn nh sau: chkhgacgctTaKtTcht ttttttttT + + + + + ++= (1.2) trong đó: t T - thời gian dầm ngang treo, là thời gian tiến hành cấp phôi hoặc lắp dụng cụ, t Kt - thời gian chạy không tải, là thời gian dầm động dịch chuyển xuống đến lúc dụng cụ tiếp xúc với phôi, t Ta - thời gian tăng áp suất ở các xi lanh công tác, t gct - thời gian hành trình công tác, là thời gian tiến hành gia công theo công nghệ cần thiết, t c - thời gian nén ép chi tiết dới áp lực, t ga - thời gian giảm áp suất ở các xi lanh công tác, t kh - thời gian hành trình trở về của dầm ngang, t ch - thời gian chuyển vị trí của cơ cấu điều khiển. Các máy ép có các công dụng khác nhau, thời gian chu trình có thể khác nhau, do đó số lợng thành phần và giá trị của các thành phần đó cũng khác nhau. Thí dụ, nh khi là phôi trên máy ép rèn, không có các thành phần t T và t gtc . http://www.ebook.edu.vn 15 Giá trị của từng chu kỳ riêng biệt do dạng dẫn động quyết định. Thí dụ, nếu T cht vợt quá t c rất nhiều, nên sử dụng kiểu dẫn động bằng bơm có bình tích áp, cho nên ta có: Kt Kt Kt v S t = ; ct ct ct v S t = ; Kh Kh Kh v S t = trong đó: S Kt , S ct , S Kh - hành trình không tải, hành trình công tác, và hành trình trở về, v Kt , v ct , v Kh - tốc độ trung bình của hành trình không tải, của hành trình công tác và của hành tình trở về. Tốc độ chuyển động của dầm ngang của các máy ép hiện đại đợc trình bày ở bảng 1-2. Bảng 1-2 Đặc tính tốc độ của máy ép thuỷ lực (mm/s) Lực ép (MN) >5 <5 <20 Dạng hành trình Với bộ dẫn động bơm nớc- có bình tích áp Bộ dẫn động có bơm dầu - không có bình tích áp Tốc độ hành trình công tác 30 - 200 30 200 5 - 100 Hành trình không tải và khứ hồi 100 - 300 <500 50 - 500 Thao tác treo dầm ngang nh sau: mở van để chất lỏng trong thùng chứa nối thông với các xi lanh công tác, trong khi đó, đóng các van thông với xi lanh đẩy về và các xi lanh đẩy về đợc nối thông với nguồn chất lỏng áp suất cao nhờ cách chặn đờng thoát của chất lỏng từ các xi lanh công tác và đóng đờng cấp chất lỏng tới xi lanh công tác khi xi lanh này ở phía dới. Các phơng pháp thao tác hành trình không tải: + Xi lanh công tác và xi lanh khứ hồi đợc nối riêng biệt với thùng chứa, + Xi lanh công tác và xi lanh khứ hồi đợc nối với nhau và nối với thùng chứa, + Cung cấp chất lỏng có áp suất cao vào xi lanh công tác khi chúng ở vị trí dới. Các biện pháp thao tác hành trình công tác: http://www.ebook.edu.vn 16 + Các xi lanh công tác đợc nối với thùng chất lỏng áp suất cao, còn xi lanh đẩy về đợc nối với thùng chứa, + Các xi lanh công tác và xi lanh khứ hồi đợc nối với nhau và với nguồn chất lỏng áp suất cao, + Các xi lanh công tác đợc nối với nguồn chất lỏng áp suất cao, còn các xi lanh đẩy về đợc nối với bình tích áp. Các biện pháp thao tác hành trình đẩy về: + Các xi lanh công tác đợc nối với thùng chứa, còn các xi lanh đẩy về đợc nối với nguồn chất lỏng áp suất cao, + Khi xi lanh công tác đợc nối với thùng chứa, các phần chuyển động đi xuống đợc thực hiện dới tác động của chính trọng lợng của nó. Trong trờng hợp này nên bố trí các xi lanh trở về trên máy ép và hành trình đi xuống thực hiện dới tác động của chất lỏng áp suất cao. . yếu giới thiệu máy ép kim loại. Máy ép kim loại đợc chia thành 5 nhóm: máy ép rèn tự do dập thể tích, máy ép chảy kim loại, máy ép dập tấm, máy ép dùng trong lắp ráp và máy ép ép kim loại phế. ép với P H = 0,5 ữ 10 MN (50 - 10 00 T). Máy ép vuốt sâu các chi tiết hình trụ, với tác động kép có xilanh công tác tạo lực ép và xilanh tạo lực ép biên, P H = 0,3 ữ 40 MN (30 - 4000 T). Máy. cho máy ép quyết định dạng dẫn động của máy ép. Hệ thống cung cấp chất lỏng quyết định sơ đồ thuỷ lực và tác động của máy ép (hình 1- 4 ). Có 2 dạng chất lỏng sử dụng trong máy ép thuỷ lực là